Protective role of bilirubin nanoparticle on heart ischemia-reperfusion injury

Abstract

In the context of myocardial infarction, ischemia-reperfusion injury (IRI) represents a significant therapeutic challenge, with current treatments are insufficient in effectively mitigating the associated tissue damage. IRI occurs paradoxically with the restoration of blood flow following ischemia, exacerbating initial tissue damage through oxidative stress and inflammatory responses. Bilirubin, an endogenous metabolite resulting from heme catabolism, has emerged as a potential therapeutic agent for its antioxidant and anti-inflammatory properties. This study investigated the efficacy of bilirubin nanoparticles in rat models of myocardial IRI, employing proteomic analysis through liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) to elucidate underlying mechanisms. Treatment with bilirubin nanoparticles significantly attenuated myocardial infarction and apoptosis in a dose-responsive manner. Proteomic profiling identified 3,616 protein groups and 76,681 unique peptides, with clustering analysis delineating proteins based on their expression patterns. Notably, 202 proteins were downregulated in the IRI model and showed recovery after treatment with bilirubin nanoparticles, whereas 35 proteins were upregulated in response to IRI and exhibited recovery following bilirubin treatment. Pathway analysis underscored significant enhancements in the Wnt signaling and insulin signaling pathways, along with increased Golgi apparatus markers, indicating their roles in mediating the protective effects of bilirubin nanoparticles against myocardial IRI. These findings advance the proteomic landscape associated with myocardial IRI and propose bilirubin nanoparticles as an effective strategy for cardiac protection, warranting further investigation in human clinical settings.

심근경색은 관상동맥 혈류가 차단되는 허혈 시 발생하는데, 이 때 심장의 비가역적 손상을 막기 위해서는 최대한 빨리 혈류가 통할 수 있도록 재관류 치료가 필요하다. 그러나 역설적으로 재관류 치료를 시행하면 심장 조직에 추가적인 허혈-재관류 손상이 발생한다. 허혈-재관류 손상은 허혈이 발생한 조직에 혈류가 복원될 때 산화 스트레스와 염증 반응을 통해 조직 손상이 발생하는 현상으로 현재까지 효과적인 치료법이 없다. 빌리루빈은 헴 (Heme) 대사 과정에서 발생하는 산물로 체내에서 가장 강력한 항산화 및 항염증 효과를 갖는 물질이다. 이러한 항산화 및 항염증 작용으로 미루어 심장의 허혈-재관류 손상에 대해 빌루리빈의 치료 효과를 기대해 볼 수 있다. 본 연구는 백서 심근 허혈-재관류 손상 모델에서 빌리루빈 나노파티클 치료 효과를 조사하였다. 또한 액체 크로마토그래피-질량 분석법을 이용하여 단백체학 분석을 수행하여 빌리루빈 나노파티클 치료의 허혈-재관류 손상 방어 메커니즘을 규명하고자 하였다. 빌리루빈 나노파티클 치료는 심근 허혈-재관류 손상 모델에서 용량 의존적으로 심근 경색 면적 및 세포사멸을 유의하게 감소시켰다. 단백체 프로파일링 결과, 총 3,616개의 단백질 그룹과 76,681개의 펩타이드를 확인하였다. 이들 단백질에 대해 허혈-재관류 손상 및 빌리루빈 나노파티클 치료 시 나타나는 패턴에 따라 클러스터링 분석을 수행하였다. 그 결과, 심근 허혈-재관류 손상 모델에서 202개의 단백질이 감소하였으며, 빌리루빈 나노파티클 치료 후 회복되었다. 반면에, 35개의 단백질은 허혈-재관류 손상 시 증가하였으나, 빌리루빈 나노파티클 치료 후에 감소했다. 경로 분석을 통해 이들 단백질 변화는 Wnt 신호 및 인슐린 신호 경로의 강화와 골지체 마커의 증가와 연관된 것으로 나타났다. 이는 빌리루빈 나노파티클이 심근 허혈-재관류 손상에 대항하여 보호 효과를 발휘하는 메커니즘을 제시하였다. 향후 사람을 대상으로 하는 임상 모델에서의 추가 연구를 통해 빌리루빈 나노파티클의 임상적 적용 가능성을 탐색할 필요가 있다.